CN110497117A

CN110497117A - 一种高温钴基钎料及其应用

Info

Publication number: CN110497117A
Application number: CN201910813835.1A
Authority: CN
Inventors: 王毅; 张哲磊; 马卓; 臧金泽
Original assignee: Changchun Institute Technology
Current assignee: Changchun Institute of Applied Chemistry of CAS; Changchun Institute Technology
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2019-11-26
Anticipated expiration: 2039-08-30
Also published as: CN110497117B

Abstract

本发明公开了一种高温钴基钎料，它是由下列质量百分比的组分组成：Co 34~60%，Ni 6~10%，W 4~6%，Cr 20~30%，Ti 10~20%；立方氮化硼钎料复合涂层，是由下述方法制备的：按质量比为6.5~7.5：2.5~3.5的比例，称量所述的高温钴基钎料和立方氮化硼，混合均匀，加粘结剂，混合；立方氮化硼钎料复合涂层在制备搅拌摩擦焊用搅拌头方面的应用；本发明钎料的熔点在1150－1250℃，具有熔点高、成本低、力学性能好、工作温度高等特点；搅拌头的工作温度可达到1100℃；与常用的Ag基、Cu基活性钎料相比，本发明钎料与cBN间的结合强度高，能充分发挥cBN材料的超硬耐磨作用。

Description

一种高温钴基钎料及其应用

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊技术领域，特别是一种高温钴基钎料及其应用。

背景技术

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是一种先进的固相连接技术，被认为是自激光焊接问世以来最引人注目和最具潜力的连接技术。FSW 与弧焊、激光焊、电子束焊、钎焊和扩散连接等传统焊接方法相比，FSW具有高效低耗、焊接温度低、残余应力小、焊接工件变形小、环境友好等特点，特别在大规格薄板焊接中是其他焊接方法远不可相比的。经过20多年的发展，搅拌摩擦焊已经从技术研究迈向高层次的工程化和工业化应用阶段。被焊材料也已从铝合金逐渐扩展到镁合金、铜合金、钢、钛合金以及复合材料等。目前，搅拌摩擦焊设备的制造和产品的加工在国内外已经成为一类高技术新兴产业。

搅拌头作为搅拌摩擦焊的“心脏”，其材料和结构设计是搅拌摩擦焊技术的核心，是搅拌摩擦焊工艺中最重要的技术之一，是决定搅拌摩擦焊技术能否扩大待焊材料的种类以及能否提高待焊材料板厚范围的关键。由于搅拌摩擦焊提供的热量不足，搅拌头材料的耐高温、耐磨性能达不到要求，所以目前只是对于铝合金等低熔点材料的研究比较成熟，对于钢铁等高熔点材料进行高质量的焊接，还有搅拌头成本高、磨损严重，在焊接中由于热输入量不足造成空洞、沟槽、未焊合等关键问题都迫切需要解决。

立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，简称cBN）的硬度仅次于金刚石，具有优越的物理、化学、力学和热稳定性能，在大气中加热至1000℃时不发生氧化，尤其是不存在着金刚石制品加工黑色铁基合金材料发生反应的局限性，非常适合加工黑色铁基合金材料，成为新一代超硬材料，被国际材料界作为金刚石的替代材料。cBN复合涂层是由高温合金粉末与cBN超硬颗粒组成。高温合金粉末是在钴金属基础上添加适量的铬、镍、钨、钛等元素，使高温合金粉末具有良好的自熔性、流动性和对cBN的润湿性。

发明内容

本发明目的是为解决现有钎焊立方氮化硼用钎料熔点低、成本高的问题，而提供一种熔点高、成本低、力学性能好的高温钴基钎料及其应用。

一种高温钴基钎料，它是由下列质量百分比的组分组成：Co 34~60%，Ni 6~10%，W4~6%，Cr 20~30%，Ti 10~20%；

所述的Co、Ni、W、Cr、Ti的颗粒大小为180~200μm、纯度为99.0~100%；

所述的Co 42~47%，Ni 8~10%，W 5~6%，Cr 20~30%，Ti 15~20%；

所述的Co 44-47%，Ni 8-10%，W 5-6%，Cr 25%，Ti 15%；

所述的Co 47%，Ni 8%，W 5%，Cr 25%，Ti 15%；

所述的Co 44%，Ni 10%，W 6%，Cr 25%，Ti 15%。

立方氮化硼钎料复合涂层，是由下述方法制备的：

1）按质量比为6.5~7.5：2.5~3.5的比例，称量权利要求1所述的高温钴基钎料和立方氮化硼，混合均匀，加粘结剂，混合成膏状，涂在基体上；

2）放入高真空钎焊炉中进行加热，真空度值小于2.9×10^-3Pa，钎焊温度控制在1250-1350℃，保温时间为9~11分钟；

所述的质量比为7:3，所述的立方氮化硼为100~200目的立方氮化硼颗粒；

所述的基体是以重量百分比为92% WC和8% Co的硬质合金，所述的粘结剂是以聚苯乙烯为溶质，三氯乙烯为溶剂制成的具有一定粘性的透明塑胶体。

立方氮化硼钎料复合涂层在制备搅拌摩擦焊用搅拌头方面的应用。

本发明提供了一种高温钴基钎料，它是由下列质量百分比的组分组成：Co 34~60%，Ni 6~10%，W 4~6%，Cr 20~30%，Ti 10~20%；立方氮化硼钎料复合涂层，是由下述方法制备的：按质量比为6.5~7.5：2.5~3.5的比例，称量所述的高温钴基钎料和立方氮化硼，混合均匀，加粘结剂，混合，涂在基体上；高真空钎焊，真空度值小于2.9×10^-3Pa，钎焊温度控制在1250-1350℃，保温时间为9~11分钟；立方氮化硼钎料复合涂层在制备搅拌摩擦焊用搅拌头方面的应用；本发明钎料的熔点在1150－1250℃之间，具有熔点高、成本低、力学性能好、工作温度高等特点；搅拌头的工作温度可达到1100℃；与常用的Ag基、Cu基活性钎料相比，本发明钎料与cBN间的结合强度高，能充分发挥cBN材料的超硬耐磨作用。

具体实施方式

实施例1

1）以硬质合金（成分WC：92wt.%，Co：8wt.%）为基体材料，加工硬质合金搅拌头基体；硬质合金搅拌头基体轴向端面上凸出有硬质合金轴肩，在轴肩上端有凸出的锥柱体；

2）采用颗粒大小为180－200μm、纯度为99.99%的Co、Ni、W、Cr、Ti金属，按质量比60:6:4:20:10，均匀混合，得到钴基合金粉末，即为高温钴基钎料；

3）将步骤2）所得钎料，添加粒度为100~200目cBN颗粒，按7:3质量比的比例均匀混合，并与粘结剂（聚苯乙烯为溶质，三氯乙烯为溶剂制成的具有一定粘性的透明塑胶体）混合成膏状（立方氮化硼钎料复合涂料），均匀涂覆在硬质合金搅拌头基体表面；

4）将步骤3）带有涂层的硬质合金硬质合金搅拌头基体，放入高真空钎焊炉中进行加热，真空度值小于2.9×10^-3Pa，钎焊温度控制在1250-1350℃，保温时间为约10分钟；

5）将钎焊后带有cBN涂层的硬质合金基体与模具钢柱体装配在一起，构成完整的搅拌摩擦焊用搅拌头。

该实施例钎料与搅拌头达到的技术指标：

（1）钎料的润湿性良好：对cBN的润湿角43.5°；

（2）钎焊cBN与硬质合金基体界面致密，接头抗剪强度为168.51Mpa；

（3）搅拌头磨损、粘粘变化量为0.89g。

实施例2

参照实施例1，稍有不同；钎料是Co、Ni、W、Cr、Ti金属按质量比54:10:6:20:10，均匀混合；其余工艺条件同实施例1；

该实施例钎料与搅拌头达到的技术指标：

（1）钎料的润湿性良好：对cBN的润湿角39.8°；

（2）钎焊cBN与硬质合金基体界面致密，接头抗剪强度为175.23Mpa；

（3）搅拌头磨损、粘粘变化量为0.65g。

实施例3

参照实施例1，稍有不同；钎料是Co、Ni、W、Cr、Ti金属按质量比50:6:4:30:10，均匀混合；其余工艺条件同实施例1；

该实施例钎料与搅拌头达到的技术指标：

（1）钎料的润湿性良好：对cBN的润湿角35.2°；

（2）钎焊cBN与硬质合金基体界面致密，接头抗剪强度为164.39Mpa；

（3）搅拌头磨损、粘粘变化量为0.72g。

实施例4

参照实施例1，稍有不同；钎料是Co、Ni、W、Cr、Ti金属按质量比44:10:6:30:10，均匀混合；其余工艺条件同实施例1；

该实施例钎料与搅拌头达到的技术指标：

（1）钎料的润湿性良好：对cBN的润湿角34.8°；

（2）钎焊cBN与硬质合金基体界面致密，接头抗剪强度为166.47Mpa；

（3）搅拌头磨损、粘粘变化量为0.48g。

实施例5

参照实施例1，稍有不同；钎料是Co、Ni、W、Cr、Ti金属按质量比50:6:4:20:20，均匀混合；其余工艺条件同实施例1；

该实施例钎料与搅拌头达到的技术指标：

（1）钎料的润湿性良好：对cBN的润湿角17.9°；

（2）钎焊cBN与硬质合金基体界面致密，接头抗剪强度为210.35Mpa；

（3）搅拌头磨损、粘粘变化量为0.18g。

实施例6

参照实施例1，稍有不同；钎料是Co、Ni、W、Cr、Ti金属按质量比44:10:6:20:20，均匀混合；其余工艺条件同实施例1；

该实施例钎料与搅拌头达到的技术指标：

（1）钎料的润湿性良好：对cBN的润湿角14.1°；

（2）钎焊cBN与硬质合金基体界面致密，接头抗剪强度为215.68Mpa；

（3）搅拌头磨损、粘粘变化量为0.09g。

实施例7

参照实施例1，稍有不同；钎料是Co、Ni、W、Cr、Ti金属按质量比40:6:4:30:20，均匀混合；其余工艺条件同实施例1；

该实施例钎料与搅拌头达到的技术指标：

（1）钎料的润湿性良好：对cBN的润湿角11.3°；

（2）钎焊cBN与硬质合金基体界面致密，接头抗剪强度为204.74Mpa；

（3）搅拌头磨损、粘粘变化量为0.15g。

实施例8

参照实施例1，稍有不同；钎料是Co、Ni、W、Cr、Ti金属按质量比34:10:6:30:20，均匀混合；其余工艺条件同实施例1；

该实施例钎料与搅拌头达到的技术指标：

（1）钎料的润湿性良好：对cBN的润湿角10.7°；

（2）钎焊cBN与硬质合金基体界面致密，接头抗剪强度为188.53Mpa；

（3）搅拌头磨损、粘粘变化量为0.21g。

实施例9

参照实施例1，稍有不同；钎料是Co、Ni、W、Cr、Ti金属按质量比52:8:5:25:10，均匀混合；其余工艺条件同实施例1；

该实施例钎料与搅拌头达到的技术指标：

（1）钎料的润湿性良好：对cBN的润湿角32.6°；

（2）钎焊cBN与硬质合金基体界面致密，接头抗剪强度为173.72Mpa；

（3）搅拌头磨损、粘粘变化量为0.69g。

实施例10

参照实施例1，稍有不同；钎料是Co、Ni、W、Cr、Ti金属按质量比42:8:5:25:20，均匀混合；其余工艺条件同实施例1；

该实施例钎料与搅拌头达到的技术指标：

（1）钎料的润湿性良好：对cBN的润湿角13.5°；

（2）钎焊cBN与硬质合金基体界面致密，接头抗剪强度为235.58Mpa；

（3）搅拌头磨损、粘粘变化量为0.03g。

实施例11

参照实施例1，稍有不同；钎料是Co、Ni、W、Cr、Ti金属按质量比52:8:5:20:15，均匀混合；其余工艺条件同实施例1；

该实施例钎料与搅拌头达到的技术指标：

（1）钎料的润湿性良好：对cBN的润湿角21.2°；

（2）钎焊cBN与硬质合金基体界面致密，接头抗剪强度为234.86Mpa；

（3）搅拌头磨损、粘粘变化量为0.11g。

实施例12

参照实施例1，稍有不同；钎料是Co、Ni、W、Cr、Ti金属按质量比42:8:5:30:15，均匀混合；其余工艺条件同实施例1；

该实施例钎料与搅拌头达到的技术指标：

（1）钎料的润湿性良好：对cBN的润湿角14.8°；

（2）钎焊cBN与硬质合金基体界面致密，接头抗剪强度为224.93Mpa；

（3）搅拌头磨损、粘粘变化量为0.08g。

实施例13

参照实施例1，稍有不同；钎料是Co、Ni、W、Cr、Ti金属按质量比50:6:4:25:15，均匀混合；其余工艺条件同实施例1；

该实施例钎料与搅拌头达到的技术指标：

（1）钎料的润湿性良好：对cBN的润湿角19.1°；

（2）钎焊cBN与硬质合金基体界面致密，接头抗剪强度为242.56Mpa；

（3）搅拌头磨损、粘粘变化量为0.16g。

实施例14

参照实施例1，稍有不同；钎料是Co、Ni、W、Cr、Ti金属按质量比44:10:6:25:15，均匀混合；其余工艺条件同实施例1；

该实施例钎料与搅拌头达到的技术指标：

（1）钎料的润湿性良好：对cBN的润湿角15.7°；

（2）钎焊cBN与硬质合金基体界面致密，接头抗剪强度为245.69Mpa；

（3）搅拌头磨损、粘粘变化量为0.04g。

实施例15

参照实施例1，稍有不同；钎料是Co、Ni、W、Cr、Ti金属按质量比47:8:5:25:15，均匀混合；其余工艺条件同实施例1；

该实施例钎料与搅拌头达到的技术指标：

（1）钎料的润湿性良好：对cBN的润湿角15.1°；

（2）钎焊cBN与硬质合金基体界面致密，接头抗剪强度为248.26Mpa；

（3）搅拌头磨损、粘粘变化量为0.02g。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims

1. 一种高温钴基钎料，它是由下列质量百分比的组分组成：Co 34~60%，Ni 6~10%，W 4~6%，Cr 20~30%，Ti 10~20%。

2.根据权利要求1所述的一种高温钴基钎料，其特征在于：所述的Co、Ni、W、Cr、Ti的颗粒大小为180~200μm、纯度为99.0~100%。

3. 根据权利要求2所述的一种高温钴基钎料，其特征在于：所述的Co 42~47%，Ni 8~10%，W 5~6%，Cr 20~30%，Ti 15~20%。

4. 根据权利要求3所述的一种高温钴基钎料，其特征在于：所述的Co 44-47%，Ni 8-10%，W 5-6%，Cr 25%，Ti 15%。

5. 根据权利要求4所述的一种高温钴基钎料，其特征在于：所述的Co 47%，Ni 8%，W5%，Cr 25%，Ti 15%。

6. 根据权利要求4所述的一种高温钴基钎料，其特征在于：所述的Co 44%，Ni 10%，W6%，Cr 25%，Ti 15%。

7.立方氮化硼钎料复合涂层，是由下述方法制备的：

2）放入高真空钎焊炉中进行加热，真空度值小于2.9×10^-3Pa，钎焊温度控制在1250-1350℃，保温时间为9~11分钟。

8.根据权利要求7所述的立方氮化硼钎料复合涂层，其特征在于：所述的质量比为7:3，所述的立方氮化硼为100~200目的立方氮化硼颗粒。

9. 根据权利要求8所述的立方氮化硼钎料复合涂层，其特征在于：所述的基体是以重量百分比为92% WC和8% Co的硬质合金，所述的粘结剂是以聚苯乙烯为溶质，三氯乙烯为溶剂制成的具有一定粘性的透明塑胶体。

10.立方氮化硼钎料复合涂层在制备搅拌摩擦焊用搅拌头方面的应用。